Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Flexible Lithium-Ionen-Zellen mit mikrostrukturierten Stromsammlern zur Steigerung der Flexibilität, Haftfestigkeit und volumetrischen Energiedichte

 

Schnellladefähige und flexible Lithium-Ionen-Batterien mit guter Zyklenbeständigkeit sind dringend notwendig für die Stromversorgung in tragbaren und flexiblen elektronischen Geräten der nächsten Generation, wie z.B. biegbare Smartphones oder implantierte Sensoren. Heutige Modelle sind noch nicht in der Lage, eine stabile Energieversorgung über eine ausreichende Zyklenzahl unter Deformation zu gewährleisten. Die Zellkomponenten müssen flexibel gestaltet werden, während die Adhäsion zur Sicherstellung der mechanischen und elektrischen Anbindung zwischen den Zellkomponenten auch bei mechanischer Beanspruchung gewährleistet bleiben muss. Dies erfordert einerseits eine in sich hoch flexible Beschichtung und andererseits eine entsprechend widerstandsfähige Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Stromsammler. Ziel dieses Vorhabens ist die Entwicklung flexibler, schnellladefähiger Lithium-Ionen-Zellen mit hoher Energie- und Leistungsdichte auf Basis mikrostrukturierter metallischer Stromsammler-Folien und angepasster Beschichtungen, wobei die Elektroden eine hohe Flexibilität, eine gute Haftfestigkeit und volumetrische Energiedichte aufweisen. Die enge Verzahnung der Beschichtung mit dem Stromsammler verbessert die Haftung zwischen diesen beiden Schichten und verkürzt durch die metallischen Leitpfade auch die Diffusionswege für die Elektronen und reduziert den Kontaktwiderstand. Um dieses Ziel zu erreichen, werden die Fachkompetenzen aus den Bereichen elektrochemische Oberflächenbearbeitung und Batterieentwicklung gebündelt, und in enger Kooperation mit Folienherstellern, Betrieben der Oberflächentechnik und Batterieherstellern wird die anwendungsnahe F&E sichergestellt, so dass ein frühzeitiger Ergebnistransfer erfolgt. Insbesondere durch die KMU-Strukturierung der Betriebe ist später eine flexible Skalierung des neuen Aufbaus von der Kleinserie bis zur Massenproduktion und Darstellung der Wettbewerbsvorteile aufgrund der technischen Verbesserungen möglich.

Ergebniszusammenfassung:

Das Projekt verfolgte das Ziel, zu untersuchen, ob strukturierte Folien als Stromabnehmer in flexiblen Lithium-Ionen-Zellen eine Verbesserung der Haftfestigkeit der aufgebrachten Aktivmaterialien bzw. eine Erhöhung der volumetrischen Energiedichte ermöglichen.

Im Projekt wurden diverse Möglichkeiten der kostengünstigen Erzeugung strukturierter Folien untersucht. Dabei kamen Verfahren wie chemisches und elektrochemisches Ätzen, die Galvanoformung von Cu-Folien, das Prägen durch Walzen sowie die Strukturierung mittels Laser zum Einsatz.

Es wurden Anoden unter Variation des Herstellungsverfahrens, des Stromabnehmers und der Zusammensetzung hergestellt und elektrochemisch in Halbzellen untersucht. Die hier realisierten Strukturierungen des Stromabnehmers hatten jedoch keinen Einfluss auf die Haftfestigkeit oder die Langzeitstabilität. Ferner wurde eine Vielzahl von Bindersystemen für NCM-Kathoden evaluiert, wobei Kathoden unter Verwendung wässriger Bindersysteme im Vergleich zum klassischen Bindersystem PVDF/NMP keine ausreichende Hochstromfähigkeit / Langzeitstabilität aufzeigten. Das liegt vorwiegend an der inhomogenen Partikelverteilung. Aussichtsreich ist ein Bindersystem bestehend aus dem Polymer PVP und dem Lösungsmittel Ethanol für NCM-Kathoden. Außerdem wurde der Einfluss des Beschichtungsverfahrens und des Stromabnehmers untersucht. Das Beschichtungsverfahren und die hier erstellten Strukturierungen des Stromabnehmers haben keinen signifikanten Einfluss auf die Haftfestigkeit / das elektrochemische Verhalten der in diesem Projekt hergestellten NCM-Kathoden. Schlussendlich wurde die Herstellung von Pouch-Zellen in diesem Vorhaben iterativ optimiert, wobei eine Strukturierung der Stromabnehmer als nicht zielführend eingestuft wurde. Pouch-Zellen mit in diesem Vorhaben hergestellten Elektroden auf Basis glatter Metallfolien können mehrere hundertmal geknickt und über 1000 Zyklen ge- und entladen werden, wobei der Kapazitätserhalt bei mehr als 80 % liegt.